地方铁路工程建设期风蚀预测探索

公式推导说明1)仅选用一些影响土壤风蚀强度的主要因子作为预测因子，忽略其它因素对铁路工程中土壤风蚀带来的影响。2)公式中各影响因子对铁路工程中土壤风蚀强度的影响作用是相互独立的，而土壤风蚀是各个因子所产生影响的综合。3)各个影响因子施工时段所产生的微小变化不影响预测结果。预测公式E=WSRCT(1)式中，E为单元地表风力侵蚀模数(年单位面积风蚀量);W为区域气候侵蚀力因子;S为地表土壤抗蚀性因子;R为地表粗糙度因子;C为地表覆盖度因子;T为地形因子。各因子值的确定从式(1)中选定的几个影响因子可以看出。区域气候侵蚀力因子是气候因素决定的一个土壤风蚀量的值，它反映了气候对地表土壤造成风蚀的能力，对于某一铁路工程段的某一地形单元来说，铁路建设前后区域气候侵蚀力因子是不变的。铁路工程对用地范围内地表土壤风蚀产生的影响是通过土壤的抗蚀性、地表粗糙度、地表覆盖度及地形等四个因素决定的。1)S值的确定S值是反映土壤抗侵蚀的能力，与土壤类型有关。具体数据可根据土壤质地、土壤有机质百分含量、土壤结构、土壤透水性等几个主要因子，查土壤可蚀性因子诺谟图获得。如土壤类型主要为黄壤、紫色土等，其可蚀性因子一般为0.02～0.75。也可以利用查图表法确定，可以根据该地段土壤表层的风砂粒(0.050～0.002mm)和黏粒(＜0.002mm)的含量，通过查土壤质地三角图，确定相应的土壤质地名称，然后利用该名称和有机质含量，查有关地表土壤抗蚀性因子值表，就可确定该土壤剖面的地表土壤抗蚀性因子值。由于所查表只列有有机质含量≤40g/kg的土壤，对于有机质含量＞40g/kg的土壤没法确定，为此制定了一个地表土壤抗蚀性因子值修正系数表。当土壤有机质含量＞40g/kg时，先按40g/kg查出地表土壤抗蚀性因子值，再按照实际有机质含量査高有机质含量地表土壤抗蚀性因子值修正系数表(表略)，二者相乘，则可得到高有机质含量土壤的地表土壤抗蚀性因子值。实际预测时，还可以利用式(2)计算地表土壤抗蚀性因子值（式略）(2)式中，Dg为土壤的几何平均粒径，mm，可以通过现场取样进行试验测得。部分地段S值计算结果（表略）2)R值的确定:地表粗糙度是影响土壤风蚀强度的重要因子，对气流产生强烈影响，这种影响可分为两个方面:一是改变流速梯度;二是决定各流速梯度的范围。研究表明，同样外部条件和土壤特征条件下，粗糙地表较平滑地表更难以被侵蚀。地表粗糙度不仅作为土壤侵蚀的影响因子对风蚀强度直接产生影响，而且还通过影响其它因子从而对风蚀产生间接影响。如地表粗糙度会影响土壤的渗透率、地表径流以及地表土壤水分的蒸发率等因素，而这些都是土壤风蚀的直接或间接影响因素。地表粗糙度本身受降雨大小、风况以及耕作等因素的影响。Luttrell提出了地表粗糙度系数的概念，Allmaras等提出了“随机粗糙度指数”的概念。Potter提出了一种测量土壤表面粗糙度的方法———钉法;Sale找到一种新的粗糙度测量方法———链法。根据地区环境的特点及工程特点，本文建议地面粗糙度直接由对数公式计算出来。己知两个高度的风速时，可根据式(3)计算（公式略）式中，Z0为地表粗糙度;U2、U1分别是Z1、Z2高度处的风速。在确定地表粗糙度因子时，只要测其下垫面两个高度处的风速即可求得。次是植被的存在，影响地面以上的风能，增加地表土壤被吹蚀的难度。植被覆盖度降低导致生态环境恶化，是沙漠化扩展的主要原因，董治宝等研究认为，植被覆盖度减少引起风蚀率增加的过程体现了自然界量变引起质变的普遍规律。在实验风速12.7m/s条件下，植被覆盖度＞60%时，风蚀率几乎为零，随着植被覆盖度减少，风蚀率开始缓慢增加，当植被覆盖度减少到20%左右时，风蚀率骤然增加。研究者对植被覆盖度与土壤侵蚀量的关系从不同角度进行了分析，均说明随着植被覆盖度的增大，土壤侵蚀量下降，50%～60%的植被覆盖度能够稳定地减少风蚀强度。除植被覆盖度外，植被对地表土坡的保护作用还与植被的存在状态、高度和大小等因素有关。植被的存在状态对保护地表土壤免于风蚀的影响非常大，直立生长的庄稼保护地表土坡免于被风蚀的能力约为同等数量倒伏庄稼的6倍。由此可见地表覆盖因子在土壤风蚀中的重要性。对于植被降低地表风速方面可以采取式(4)计算（式略）式中，SLRS为土壤风蚀量的减少比率，SA为直立植被或残茬的侧面轮廓面积，等于1m2范围内直立植被的棵数乘以植株的平均直径(cm)，再乘以植株的平均高度(cm)。植被对地表土壤的遮盖保护作用可以采用式(5)计算（公式略）式中，SLRc为因植被的遮蔽保护作用而使土壤风蚀量减少的比率，cc为地表覆盖度。因铁路施工后地表植被遭到完全破坏，植被对地表土壤的保护作用及降低风速作用均不存在，故对于工程建设中植被被全部破坏而产生的裸露地表，地表覆盖度因子C等于1。根据有关研究成果，部分地段C值可参照表4取值。T值可根据开发建设项目设计资料，各开挖或回填边坡、开挖或回填场地的坡度和坡长进行计算。平坦场地不考虑地形因子，取T=1。利用项目区大比例尺地形图和土地利用现状图，制作地类属性坡度图，同一地类属性同一坡度划分为一个图斑。求得各图斑顺坡向(垂直于等高线)长度最大值作为坡长水平投影长度Y1，由式(7)采用三角关系计算坡长Y（公式略）式中，Y为坡长，m;a为百分比坡度;B为坡度角;m为坡长因子，n为坡度因子。当25°＜B＜35°时，m=0.4;当15°＜B＜≤25°时，m=0.3;当5°＜B＜≤15°时，m=0.2;B≤5°时，m=0.1～0.15。坡度因子n值为1.3～1.4，可取1.35。

风蚀量计算方法

铁路项目在建设施工前，保持原有的地貌特征，可利用当地有关水土保持的监测资料，确定相应的土壤侵蚀模数及原地貌的土壤风蚀侵蚀模数。假设原地貌的土壤侵蚀模数为E0，施工期的土壤侵蚀模数为E1，E1/E0表示工程施工后的风蚀模数是施工前风蚀模数的倍数，即加速侵蚀系数。这样就可以确定出施工过程中土壤风蚀侵蚀模数，从而计算出项目建设过程中的风蚀量，为项目建设后采取的防治措施提供更好的设计依据，减轻因工程建设而导致的土壤侵蚀危害。

结语

利用本文方法预测土壤侵蚀量，关键在于各因子取值的合理性。目前国内关于4个因子的确定已有多项研究成果，但还没有系统地应用到开发建设项目水土流失预测中。有些研究成果对于各因子的确定操作繁琐。本文的预测方法在充分利用项目资料的前提下，再加上一些监测数据，可以相对科学地预测项目建设的土壤风蚀侵蚀量。本文预测方法由于受到水土保持监测资料的限制，还无法大范围加以验证。在水土保持监测工作大范围开展以后，利用监测数据，能够确定该方法的应用范围，以便更准确地预测待建项目风蚀情况。